某型履帶式步兵戰(zhàn)車(chē)輸彈機(jī)故障機(jī)理研究

王國(guó)輝，范鵬飛，李向榮

（裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

0 引言

自動(dòng)裝彈機(jī)是集機(jī)電控制于一體的復(fù)雜機(jī)械，其性能穩(wěn)定性、可靠性直接影響到火炮威力的發(fā)揮。某型履帶步兵戰(zhàn)車(chē)為我國(guó)新一代重型裝甲裝備，它具備更為強(qiáng)大的火力，并配裝新式自動(dòng)裝填系統(tǒng)，在滿(mǎn)足普通彈藥裝填的同時(shí)，還集成有炮射導(dǎo)彈的裝填功能。

但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)：對(duì)火力系統(tǒng)效能發(fā)揮起到關(guān)鍵作用的自動(dòng)裝彈機(jī)，其故障率卻相對(duì)較高。根據(jù)前期統(tǒng)計(jì)，在自動(dòng)裝彈機(jī)典型故障中，由開(kāi)關(guān)等電氣控制元件所引起的故障在全部故障中占比約為30%，自動(dòng)裝彈機(jī)發(fā)生故障將會(huì)極大地降低戰(zhàn)車(chē)本身的戰(zhàn)斗力和安全性［1-11］。

不同于傳統(tǒng)裝甲裝備，該型自動(dòng)裝彈機(jī)采用了一定數(shù)量的新型非接觸式接近開(kāi)關(guān)，來(lái)代替以往的接觸式開(kāi)關(guān)。非接觸式接近開(kāi)關(guān)主要用于傳遞關(guān)鍵信號(hào)，并控制供輸彈等相關(guān)動(dòng)作。在演習(xí)和作戰(zhàn)中，裝甲裝備普遍處于極為惡劣的工作環(huán)境，這使得裝彈機(jī)內(nèi)部構(gòu)件常常處于不可靠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而嚴(yán)重影響依靠機(jī)械部件傳遞信號(hào)的非接觸式接近開(kāi)關(guān)的正常工作狀態(tài)，接近開(kāi)關(guān)頻頻成為引發(fā)故障的源頭。非接觸式接近開(kāi)關(guān)的主要工作原理如圖1所示。

關(guān)于虛擬樣機(jī)技術(shù)在諸如自動(dòng)裝彈機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備方面的研究和應(yīng)用，已較為廣泛和成熟：邢宏光等人針對(duì)自動(dòng)裝彈機(jī)故障難以快速準(zhǔn)確判斷的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)體建模并在ADAMS中建立完整的動(dòng)力學(xué)模型，其仿真結(jié)果為故障機(jī)理分析提供了依據(jù)；李偉等人針對(duì)求解供輸彈系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)計(jì)算量龐大的難點(diǎn)，提出了虛擬樣機(jī)——蒙特卡洛模擬法——支持向量機(jī)（VP-MCS-SVM）動(dòng)力學(xué)隨機(jī)響應(yīng)求解方法，能夠高效完成仿真求解；王國(guó)輝等人針對(duì)某型坦克旋轉(zhuǎn)輸彈機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)機(jī)電聯(lián)合仿真模型得到了旋轉(zhuǎn)輸彈機(jī)的振動(dòng)特性，為進(jìn)一步維修檢測(cè)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但針對(duì)接近開(kāi)關(guān)在裝甲裝備自動(dòng)裝彈機(jī)故障分析中的作用和影響，尚未見(jiàn)諸報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，以某型履帶步兵戰(zhàn)車(chē)輸彈機(jī)為例，結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)MSC.Adams建立旋轉(zhuǎn)輸彈機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析構(gòu)件的相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性，并利用Vibration模塊對(duì)模型進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，從而研究接近開(kāi)關(guān)失效并造成輸彈機(jī)發(fā)生故障的可能原因。

1 輸彈機(jī)結(jié)構(gòu)原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

輸彈機(jī)是自動(dòng)裝填系統(tǒng)的重要組件之一，用于放置和傳輸相關(guān)彈藥，可在炮長(zhǎng)控制臺(tái)的操作下，將彈藥準(zhǔn)確運(yùn)送至裝填位置。它由數(shù)根拉桿吊裝于炮塔座圈上，主要部件有炮彈杯形筒、導(dǎo)彈杯形筒、環(huán)形架、底座、制動(dòng)器、傳動(dòng)裝置（含電動(dòng)和手動(dòng)）和接近開(kāi)關(guān)等。輸彈機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

環(huán)形旋轉(zhuǎn)架用于安裝炮彈杯形筒和導(dǎo)彈杯形筒，炮彈杯形筒用于放置殺爆彈并依靠上下卡鎖可靠固定，通過(guò)輸彈機(jī)傳動(dòng)裝置與環(huán)形架一起運(yùn)動(dòng)，最終將炮彈傳遞到指定位置上。

1.2 輸彈原理分析

下達(dá)裝填指令后，制動(dòng)器拉力繼電器通電，使連桿脫離座圈的齒圈內(nèi)側(cè)定位槽，輸彈機(jī)在電動(dòng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)系統(tǒng)取彈順序沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，距離指定裝填線(xiàn)一定角度時(shí)，發(fā)出制動(dòng)器和傳動(dòng)裝置斷電信號(hào)，旋轉(zhuǎn)架依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到位，而后制動(dòng)器頂桿沿內(nèi)壁滑動(dòng)直至落入槽口，制動(dòng)器接近開(kāi)關(guān)收到信號(hào)并鎖定輸彈機(jī)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，裝彈位置接近開(kāi)關(guān)得到炮彈杯形筒內(nèi)炮彈運(yùn)動(dòng)到位信號(hào)，而后向自動(dòng)裝置組件傳遞允許進(jìn)行供彈動(dòng)作的信號(hào)。輸彈機(jī)簡(jiǎn)要工作原理如圖3所示。

2 輸彈機(jī)模型構(gòu)建

2.1 主體初步建模

依據(jù)相關(guān)圖紙參數(shù)在PTC/Creo軟件中對(duì)輸彈機(jī)主要部件進(jìn)行三維幾何建模和零部件裝配工作，將其最終裝配體文件轉(zhuǎn)換為Parasolid格式后導(dǎo)入MSC.Adams軟件，可以保留各部件相對(duì)位置關(guān)系，同時(shí)，在MSC.Adams中賦予不同部件以相應(yīng)的材料特性，并添加約束關(guān)系，保證符合實(shí)際裝備情況。輸彈機(jī)主要部件之間的拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

其中，底座與炮塔通過(guò)拉力桿鏈接，齒圈與底座間為滾珠鋼絲軸承，此處簡(jiǎn)化L9為旋轉(zhuǎn)鉸。L3、L4、L6為固定鉸，L7、L11為旋轉(zhuǎn)鉸。模型中存在有部分非完整約束，如 L1、L2、L8、L12等，通過(guò)定義碰撞鉸可對(duì)其進(jìn)行等效代替，從而實(shí)現(xiàn)模型中正常動(dòng)作流程與相應(yīng)的作用力傳遞。

在MSC.Adams中，將碰撞以等效接觸力形式引入到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，則采用帶乘子拉格朗日算法建立起來(lái)的輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)方程，可以表示為基于Impact沖擊函數(shù)的接觸模型，即：

其中，q為廣義坐標(biāo)陣，M為廣義質(zhì)量陣，Φq為約束方程 Φ（q，t）=0 的雅克比陣，Q 為廣義力陣，F(xiàn)g為接觸力相對(duì)于廣義坐標(biāo)陣的廣義力列陣。

2.2 部件細(xì)化建模

為便于對(duì)輸彈機(jī)中關(guān)鍵部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，將炮彈杯形筒和相關(guān)接近開(kāi)關(guān)的建模進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化，具體細(xì)節(jié)部分建模工作如下。

2.2.1 炮彈杯形筒與卡鎖建模

炮彈杯形筒，由杯形不規(guī)則筒體、搖臂座、上下部卡鎖、芯軸、彈簧、杠桿等組成，其底部設(shè)有一個(gè)支座，卡爪勾動(dòng)搖臂耳軸，杯形筒繞支座上的耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并攜帶炮彈一同轉(zhuǎn)動(dòng)，直至到達(dá)裝填角位置。上下部卡鎖主要用于對(duì)炮彈定位，保證其在輸彈過(guò)程中的穩(wěn)定性。芯軸彈簧軸上端套入旋轉(zhuǎn)架支柱的支臂孔內(nèi)，彈簧被壓縮所產(chǎn)生的預(yù)彈簧力可在保證杯形筒穩(wěn)定的同時(shí)儲(chǔ)存回位能量。

2.2.2 接近開(kāi)關(guān)

在裝填機(jī)構(gòu)控制裝置中采用新型非接觸式接近開(kāi)關(guān)，使得裝填過(guò)程的控制流程更為精準(zhǔn)化、程序化，其主要包括輸彈到位開(kāi)關(guān)、供彈位置開(kāi)關(guān)、裝填角開(kāi)關(guān)、輸彈制動(dòng)開(kāi)關(guān)等。它們分布于輸彈機(jī)和供彈機(jī)中，其中輸彈到位開(kāi)關(guān)與輸彈制動(dòng)開(kāi)關(guān)用于控制彈藥到位后的輸彈機(jī)制動(dòng)，并為供彈機(jī)動(dòng)作的依次進(jìn)行提供相應(yīng)信號(hào)。

以輸彈到位開(kāi)關(guān)為例，其等效三維模型如圖6所示，炮彈重力作用于上端圓柱部，從而壓縮下方彈簧，導(dǎo)入到Adams中后，在Close_Switch_Upper_Marker164和Gear_Ring_Marker196之間假定存在一預(yù)受壓彈簧，當(dāng)旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)時(shí)下方船型金屬感應(yīng)塊與感應(yīng)磁罐達(dá)到一定距離范圍時(shí)，即可視為發(fā)出炮彈到位信號(hào)。

輸彈制動(dòng)開(kāi)關(guān)模型的建立，主要用于模擬控制輸彈到位后在正常情況下輸彈機(jī)的制動(dòng)，以及在輸彈機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法制動(dòng)情況下的緊急處理。輸彈到位前一定角度時(shí)，制動(dòng)器連桿頂端會(huì)在彈簧力作用下，緊貼齒圈內(nèi)壁滑動(dòng)并依靠慣性插入其槽口，簡(jiǎn)化后得到其等效機(jī)械模型，如下頁(yè)圖7所示。

3 模型驗(yàn)證

建立好輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)模型后，需要對(duì)其進(jìn)行VV&A驗(yàn)證，常用方法有：主觀(guān)確認(rèn)法、動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)法、譜分析法等，就具體設(shè)備而言，較為合適的方法是利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的一致性來(lái)驗(yàn)證模型的真實(shí)度與可信度。

從靜態(tài)角度看，依據(jù)相關(guān)圖紙和資料對(duì)裝配體進(jìn)行校核，主要檢查部件間位置關(guān)系、有無(wú)干涉、各類(lèi)物理屬性是否相同等內(nèi)容，結(jié)果表明模型與物理樣機(jī)有較好的一致性。從動(dòng)態(tài)角度看，主要觀(guān)察和驗(yàn)證輸彈機(jī)的各類(lèi)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)是否與物理樣機(jī)一致，而反映輸彈機(jī)工作狀況與動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)，此處擬選取不同工況中炮彈杯形筒耳軸Marker位置的變化情況，它們集中反映了輸彈機(jī)能否正常完成輸彈任務(wù)。

表1 實(shí)裝與模型數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)裝與模型的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示，其中：Vymax、Aymax、Mymax分別代表杯形筒標(biāo)記點(diǎn)在Y軸方向上速度、加速度和幅值的最大值。從表中可以看出：不同工況下容彈裝置與彈藥仿真結(jié)果能夠和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了輸彈機(jī)在輸彈過(guò)程中具有較為良好的可信度，可以作為對(duì)物理樣機(jī)性能評(píng)測(cè)、故障分析的有力工具和平臺(tái)，為下一步對(duì)接近開(kāi)關(guān)造成的輸彈故障進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。

4 輸彈機(jī)故障機(jī)理研究

以輸彈機(jī)為例，造成輸彈機(jī)接近開(kāi)關(guān)失效的主要因素包括車(chē)輛劇烈振動(dòng)、零部件損壞變形和電路故障等，例如在輸彈過(guò)程中，可能發(fā)生因車(chē)輛振動(dòng)造成相關(guān)零部件動(dòng)作不可靠，導(dǎo)致輸彈制動(dòng)不及時(shí)、輸彈到位不停止等現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響彈藥的流水化裝填過(guò)程。

Adams/Vibration振動(dòng)分析主要用于計(jì)算頻域或時(shí)域中系統(tǒng)內(nèi)某些點(diǎn)的響應(yīng)和系統(tǒng)的模態(tài)，尤其是在頻域內(nèi)計(jì)算頻響函數(shù)，通過(guò)對(duì)響應(yīng)分析和模態(tài)分析進(jìn)而確定如何降低或抑制系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。在對(duì)輸彈機(jī)模型動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，擬采用Vibration模塊對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，從而分析故障發(fā)生的可能原因，并通過(guò)改變相關(guān)阻尼比來(lái)降低系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)。

4.1 輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

以輸彈過(guò)程中的輸彈到位開(kāi)關(guān)為例，在輸彈到位開(kāi)關(guān)的零部件上建立Marker點(diǎn)，通過(guò)Measure功能中Point to Point選項(xiàng)來(lái)測(cè)量Rotate.Marker_206（即船型金屬感應(yīng)塊的前端中部位置）和Base.Marker_240（即感應(yīng)磁罐的感應(yīng)面圓心位置）之間距離的動(dòng)態(tài)變化，仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看到，在實(shí)線(xiàn)所表示的平穩(wěn)狀態(tài)中，輸彈機(jī)接收到控制裝置指令后開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)約0.34 s后彈藥下方碰撞體與船型金屬感應(yīng)塊發(fā)生碰撞，此時(shí)彈簧開(kāi)始被壓縮，檢測(cè)距離急劇下降，并在約0.03 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到感應(yīng)塊被接通。接近開(kāi)關(guān)接通后才能進(jìn)行彈藥記憶和下一步的供彈動(dòng)作。

4.2 振動(dòng)特性分析

為探究由于輸彈到位開(kāi)關(guān)無(wú)法接通而造成輸彈故障的具體原因，在輸彈機(jī)與振動(dòng)測(cè)試基座之間添加5個(gè)Bushing，其位置對(duì)應(yīng)輸彈機(jī)底座的5個(gè)支座吊桿孔圓心，利用Vibration模塊在底座質(zhì)心處添加Y和Z方向的激勵(lì)力Fy和FZ，模擬步兵戰(zhàn)車(chē)行進(jìn)間由于底座振動(dòng)產(chǎn)生的作用力。其中，F(xiàn)y垂直于底座平面，F(xiàn)Z平行于車(chē)體行進(jìn)方向。以輸彈到位開(kāi)關(guān)部件關(guān)鍵點(diǎn)和彈藥質(zhì)心位置為研究對(duì)象，建立其輸出通道，振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如下頁(yè)圖9和圖10所示。

為研究不同振動(dòng)狀態(tài)下輸彈機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)，定義相關(guān)彈簧阻尼變量，設(shè)計(jì)不同阻尼比進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，即 base_damp=（ramming_base_stiff*3*Percent）分別取1%、2%和3%，得到輸彈到位開(kāi)關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)的對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)，如圖11所示。

由圖11可知，在不同阻尼比下Marker點(diǎn)的頻響呈現(xiàn)了不同趨勢(shì)，隨著阻尼比的增加，響應(yīng)幅度在較低頻率部分（即0.1 Hz～1.0 Hz）稍有增大，在中部頻率部分（即1.0 Hz～100 Hz）顯著減小，并在附近產(chǎn)生波動(dòng)，在較高頻率部分（即100 Hz～1 000 Hz）基本趨于一致，即阻尼比的增加使得頻響幅度趨于緩和，有利于減少相關(guān)部件運(yùn)動(dòng)的不確定性。

4.3 故障機(jī)理分析

從圖9～圖11中可以看到，振型狀態(tài)中彈藥和底座存在有一定程度的震蕩，當(dāng)彈底緣所接觸的彈簧阻尼器發(fā)生形變時(shí)，與輸彈到位開(kāi)關(guān)配合的船型金屬體會(huì)在Y方向發(fā)生相對(duì)位移，從而影響輸彈到位開(kāi)關(guān)檢測(cè)的時(shí)效性與準(zhǔn)確性，使得輸彈機(jī)在制動(dòng)后無(wú)法正常開(kāi)始下一步供彈。

同樣地，對(duì)于輸彈制動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)彈丸中軸線(xiàn)發(fā)生震蕩偏離供彈位置時(shí)，其角度傳感器會(huì)得到錯(cuò)誤的信息，提前或者延后發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致制動(dòng)桿會(huì)隨之較早或較晚地彈出。制動(dòng)桿相對(duì)較早彈出時(shí)，頂端在內(nèi)壁產(chǎn)生過(guò)多摩擦，有可能使執(zhí)行電機(jī)發(fā)生損壞，進(jìn)而無(wú)法使旋轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)到位；制動(dòng)桿相對(duì)較晚彈出時(shí)，其前端會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)突然進(jìn)入槽口，易發(fā)生制動(dòng)桿形變甚至斷裂，進(jìn)而會(huì)打斷下一個(gè)輸彈過(guò)程。

為減小接近開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作的可能性，可以進(jìn)一步在杯形筒和炮彈之間添加相應(yīng)的阻尼，同時(shí)增大感應(yīng)塊與下部彈簧體的摩擦力，從而減小其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，降低故障在關(guān)鍵點(diǎn)處發(fā)生故障的幾率。

5 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建某型履帶步兵戰(zhàn)車(chē)輸彈機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型，并結(jié)合Vibration模塊對(duì)該模型進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，設(shè)計(jì)不同阻尼比以分析關(guān)鍵點(diǎn)響應(yīng)變化趨勢(shì)，為研究新型自動(dòng)裝彈機(jī)接近開(kāi)關(guān)失效與產(chǎn)生故障的原因提供了新的思路和方法，在一定程度上為軍工部門(mén)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。下一步，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)實(shí)車(chē)和仿真環(huán)境下自動(dòng)裝彈機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，從而提出更加具有針對(duì)性的故障診斷方法和改進(jìn)建議。